Текст книги "Инженерная геоэкология"

Дальнейший приток талых вод и повышение уровня в реке способствуют поднятию, разламыванию потерявшего свою прочность ледяного покрова и передвижению его вниз по течению – начинается весенний ледоход. Весенний ледоход по своей мощности обычно превосходит осенний, так как в нем участвуют большие массы воды и льда, движущиеся со значительными скоростями. Толщина передвигающихся льдин во время весеннего ледохода достигает 1–2 м на больших сибирских реках. Большие массы льда, нагромождаясь в местах сужения русла, у островов, на крутых поворотах и у других препятствий, образуют заторы льда. Перед ледоставом на реках образуется шуга – скопления рыхлого губчатого льда.

Уровень рек

Изучение колебаний уровня воды в реках имеет большое значение для хозяйственной деятельности. На судоходных реках эти колебания определяют глубины и возможность плавания на отдельных участках. При прохождении высоких вод могут затапливаться населенные пункты, расположенные в прибрежной зоне, что в некоторых случаях связано с большими бедствиями. При наличии детально изученного уровенного режима возможно рациональное строительство различных гидротехнических сооружений (гидростанций, плотин, мостов, пристаней и др.). Осуществление мелиоративных мероприятий (орошение, осушение), связанных со строительством каналов, также требует изучения уровенного режима рек. Уровень воды в реке является важным экологическим показателем состояния реки.

Уровнем воды в реке называется положение свободной водной поверхности над некоторой условной плоскостью. Уровень воды в реке постоянно изменяется. Основной причиной его изменений является приток воды в реку от талых вод снегов и ледников, дождей и подземных вод. Чем больше приток воды, тем значительнее повышается уровень; малому притоку соответствуют низкие меженные уровни. Кроме этой основной причины, на колебания уровня могут оказывать влияние следующие факторы:

1) ледовые явления (появление поверхностного и внутриводного льда), создающие дополнительное сопротивление движению воды, при преодолении которого уменьшается скорость течения и повышается уровень воды;

2) русловые деформации, вызывающие понижение или повышение дна русла реки вследствие размыва или отложения наносов, сопровождаются понижением или повышением уровня воды;

3) зарастание русла водной растительностью уменьшает пропускную способность русла реки, увеличивает шероховатость дна и вызывает повышение уровня воды;

4) ветровые явления (нагоны и сгоны) вызывают повышение и понижение уровня воды, особенно в устьевых участках рек; при этом, если ветер дует против течения реки, происходит нагон воды и уровень в реке повышается, при направлении ветра по течению происходит сгон воды и уровень понижается;

5) приливы и отливы в морях периодически изменяют положение уровня воды в устьях рек;

6) искусственные сооружения (водоподъемные плотины, запруды, мосты, насосные станции, оросительные водозаборы и пр.) нарушают естественный режим уровней, т. е. создают разность высот уровня воды выше и ниже сооружения; в зависимости от работы этих сооружений происходят колебания уровня воды на участке и выше и ниже этих сооружений.

В ряде случаев колебания уровня воды в реках вызываются одновременно многими причинами и имеют сложный характер.

В зависимости от преобладания поверхностного или подземного питания, в течение года на равнинных реках имеются периоды, значительно различающиеся по колебаниям уровня и водности: весеннее половодье, летняя межень, осенний период, зимняя межень.

Колебания уровня воды по длине реки зависят прежде всего от изменения расхода воды.

Наблюдения за уровнем воды рек производятся на специально устанавливаемых водомерных постах. На основе многолетних непрерывных наблюдений на водомерном посту можно установить общий характер колебаний уровня реки и определить следующие характеристики уровенного режима в пункте наблюдений: амплитуду колебаний уровня, повторяемость и продолжительность стояния уровня воды и характерные уровни, свойственные отдельным фазам режима реки.

Для характеристики режима уровней воды реки в каком-либо пункте по данным таблицы «Ежедневные уровни воды» строятся хронологические графики колебаний средних суточных уровней за отдельные календарные годы. По горизонтальной оси графика откладывается время в днях за весь год, а по вертикальной – уровни воды.

При наличии многолетних наблюдений за уровнями воды и ледовыми явлениями на реке в данном пункте обычно строят совмещенные графики колебаний уровня воды за характерные годы: многоводный, средневодный и маловодный.

Для характеристики уровенного режима реки вдоль по течению служат совмещенные графики колебаний уровня воды за календарные годы, построенные по данным нескольких водомерных постов в абсолютных отметках. Такие графики дают наглядное представление о развитии и затухании паводков и ходе изменения уровня по длине реки, а также позволяют установить амплитуду колебаний уровня.

Амплитудой колебаний уровня воды в реке называется разность между наивысшим и наинизшим уровнями для какого-либо пункта на реке за данный период времени. Амплитуда колебаний уровня воды изменяется по длине реки, обычно постепенно увеличиваясь от истока до предустьевого участка и уменьшаясь в устьевых участках реки.

Колебания уровня реки вызываются различными причинами, среди которых основная – изменение водности, т. е. изменение расхода воды, что связано с выпадением осадков, таянием снега и льда и поступлением этих вод в реку. Интенсивное пополнение реки водой приводит к резкому изменению уровня в течение суток. За это время он может измениться на 1–2 м.

Изменение уровня в реке имеет в среднем закономерный ход. Обычно максимальные высоты уровня наблюдаются весной в результате таяния льда и снега. К лету он снижается, и примерно с середины и до конца этого сезона уровень в реке занимает самое низкое положение. Тогда наступает сезон межени. Снижение уровня обычно связано со значительным летним испарением, уменьшением количества осадков. С начала и до середины осени уровень несколько повышается по сравнению с меженью, что объясняется увеличением осадков в этот сезон. Зимой подо льдом уровень обычно ниже, чем в осеннее время. Такой режим уровня характерен для рек умеренных и, частично, северных широт. В засушливых зонах имеются свои особенности сезонного изменения уровня.

По-разному изменяется уровень на разных участках реки, что связано влиянием местных особенностей природных условий. Характерные изменения уровня и их местные различия служат основными показателями уровенного режима рек.

Характер движения воды

Движение воды в естественных потоках носит довольно сложный характер. Существуют два различных вида движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное.

Ламинарное движение характеризуется следующими признаками:

1. Векторы скорости воды потока имеют постоянное, независимое от времени направление; они могут быть параллельны основному движению жидкости и криволинейны при обтекании какого-либо препятствия в потоке. Отдельные струи в потоке никогда не пересекаются.

2. Скорости у дна и стенок всегда равны нулю и плавно возрастают к поверхности.

3. Движение жидкости зависит от ее вязкости (вязкость – свойство жидкости иметь внутреннее трение); потери на сопротивление пропорциональны первой степени скорости течения.

Турбулентное движение жидкости имеет следующие особенности:

1. Вектор скорости в каждой точке потока имеет пульсирующее значение, т. е. изменяется во времени как по величине, так и по направлению.

2. Скорость течения от нуля на дне быстро возрастает в пределах тонкого придонного слоя, где и имеет конечное значение, которое в практике обычно относят к самому дну; выше к водной поверхности нарастание скоростей происходит медленнее.

3. Движение практически не зависит от вязкости жидкости, и потери на сопротивление пропорциональны квадрату скорости течения.

Ламинарное движение встречается в природе только в однородных мелкозернистых водоносных пластах с очень малыми скоростями течения подземных вод и может быть создано в искусственных потоках (лотках) малых размеров. Оно возможно до известного предела скоростей и глубин, после чего переходит в турбулентное движение.

Движение воды в естественных потоках и толщах крупного галечника или в трещинах скальных пород имеет турбулентный характер. При турбулентном движении происходит перемешивание всей массы воды от дна до ее поверхности. Перемешивание водной массы усиливается при увеличении скорости течения.

Скорость течения представляет собой путь, пройденный частицами воды потока в единицу времени, и измеряется в метрах в секунду (м/с).

Распределение скоростей в реке может быть самым разнообразным в зависимости от очертания русла реки в плане, чередования глубин на плёсах и перекатах, наличия водной растительности или ледовых образований, изменения уклона по длине реки, шероховатости дна и берегов и от влияния ветра. Характер течения воды в потоке на прямолинейном участке отличается от характера течения на закруглениях; течение также различно на глубоких и мелких участках, в русле реки и на пойме. Кроме того, скорости меняются при изменениях уровня воды; обычно с повышением уровня при правильной форме русла скорости течения воды возрастают.

В каждой точке поперечного сечения реки, кроме местной мгновенной скорости, изменяющейся во времени по величине и направлению, различают еще так называемую усредненную скорость. Под усредненной скоростью следует понимать среднее значение скорости, вычисленное по мгновенным скоростям в данной точке для некоторого промежутка времени. По сравнению с непрерывно меняющимися мгновенными скоростями, измеренная за достаточно длительный промежуток времени (обычно не менее 100 с) усредненная скорость имеет устойчивое значение.

По ширине реки со свободной водной поверхностью скорости обычно увеличиваются от берегов к середине реки. Распределение поверхностных скоростей по ширине реки может быть представлено плавной кривой, называемой эпюрой скоростей по ширине реки. Наибольшая скорость обычно наблюдается в местах наибольших глубин; на изгибах русла она располагается ближе к вогнутому берегу, а на прямолинейном участке реки – в средней части потока; на пойме скорости значительно меньше, чем в коренном русле.

Распределение скоростей по глубине реки можно изобразить графически – путем построения так называемого годографа – эпюры распределения скоростей по вертикали. Наибольшая скорость находится на поверхности воды и плавно уменьшается ко дну, вблизи которого имеет наименьшее значение. Очертания эпюр скоростей в зависимости от разных местных условий (неровности дна, ветра, подводной растительности) могут быть различными.

На плёсе скорости меньше, чем на перекате, и скорости воды у дна значительно отличаются от поверхностных. На перекате скорости значительно больше, чем на плёсе, и у дна имеют значения, в некоторых случаях мало отличающиеся от поверхностных. Скорость течения на участке перед резким повышением дна уменьшается; эпюра скоростей в этом случае может иметь излом на высоте гребня препятствия, ниже которого скорости резко уменьшаются, и у дна иногда имеют нулевые значения.

При зарастании русла водной растительностью в значительной мере уменьшается скорость у дна потока вследствие увеличения шероховатости дна. В устьях некоторых рек, подверженных влиянию сгонно-нагонных явлений, а также действию прилива и отлива, могут возникать течения противоположных направлений.

Существенное отличие представляет распределение скоростей по глубине при наличии ледяного покрова. В этом случае максимальная скорость наблюдается ближе к середине глубины потока, что объясняется наличием дополнительного трения о нижнюю поверхность льда, которая может быть гладкой при кристаллическом льде или очень неровной – при наличии губчатого льда (шуги).

Поверхностное питание (снеговое, дождевое, ледниковое) характерно тем, что создает небольшую минерализацию с преобладанием в речной воде ионов кальция и магния. Такой состав ионов объясняется тем, что поверхностные воды могут выщелачивать из почвы только те соли, которые находятся близ поверхности земли.

Подземные воды, питающие реки, имеют большую минерализацию. Это объясняется тем, что они более продолжительное время соприкасаются с почвами и породами и выщелачивают из них большее количество растворимых веществ. Подземные воды приносят в реки ионы легкорастворимых солей.

Деформации русла реки

Русло реки под действием текущей воды подвержено различным деформациям. Изменчивость речного русла зависит от многих причин, среди которых основными являются: а) уклон реки; б) диаметр твердых частиц, из которых состоит ее ложе; в) интенсивность колебаний уровня и расхода воды; г) геологическое строение прилегающей к реке части водосбора, влияющее на выносы наносов из оврагов и небольших притоков; д) ледовые явления на реках, особенно заторы; е) климатическая характеристика водосбора; ж) наличие гидротехнических сооружений и озер.

Основными элементами процесса деформации речных русел являются эрозия и аккумуляция, соотношения между которыми тесно связаны с транспортирующей способностью потока и содержанием наносов в нем. В том случае, когда поток насыщен наносами в большей мере, чем он может переносить, происходит аккумуляция наносов. При недостаточном насыщении наносами по сравнению с транспортирующей способностью потока происходит размыв русла.

Эрозия русла, наблюдающаяся в потоке, бывает глубинной и боковой. Глубинная эрозия проявляется путем врезания потока в дно реки. Она приводит к изменению высотного положения русла. Боковая эрозия характеризуется расширением и перемещением потока; она вызывает изменение планового очертания русла. Боковая эрозия проявляется в размыве берегов реки, в результате чего происходит расширение русла, меандрирование и блуждание его в аллювиальных отложениях, слагающих пойму реки. Воздействие текущего потока на размывы берегов сопровождается обрушением и сползанием грунта с откосов, что зависит от сопротивляемости размыву пород, в которых протекает река, и от водности потока. Значительное расширение потока наблюдается в устьевых участках рек, где речной поток оказывается не в состоянии смыть большое количество отложившихся наносов и вынужден вырабатывать себе русло за счет размыва берегов.

Процесс воздействия потока на русло неодинаков по длине реки. В верхнем течении, где значительные скорости течения, эрозия преобладает над аккумуляцией, и русло реки постепенно углубляется. Перемещение наносов приводит к периодическому изменению размеров и форм русла – перемещение песчаных гряд, боковых отмелей и кос, сезонные размывы и намывы перекатов и плёсов, развитие и отмирание извилин русла и т. п. Периодические деформации имеют обратимый характер и приводят к тому, что в среднем размеры русла и его формы не меняются.

В среднем течении реки эрозия и аккумуляция обычно уравновешиваются, вследствие чего эти участки находятся в состоянии некоторого равновесия. В нижней части течения преобладают аккумуляция и боковая эрозия. Эти участки реки получают сверху большее количество наносов, чем выносится рекой в море или озеро. Здесь происходят повышение дна потока, рост дельты.

Русловые деформации в значительной мере зависят от перемещения наносов, поступающих с поверхности водосбора. Периодические деформации носят обратимый характер и приводят к тому, что в среднем размеры русла и его формы не меняются.

В русле реки наблюдается также процесс размыва потоком коренных пород и выноса этих материалов в приемный водоем. Этот процесс приводит к медленным односторонним и необратимым деформациям – изменению продольного профиля, расширению склонов долины, повышению дна продольного профиля реки.

Для характеристики степени деформации русла реки производятся периодические промеры глубин и плановые съемки или аэрофотосъемки, которые позволяют выявить развитие процессов глубинной эрозии, аккумуляции и изменения плановых очертаний исследуемого участка реки. Изучение деформации речного русла необходимо для возведения на реках различных гидротехнических сооружений для судоходства и изучения водоносности реки.

Русловой процесс – это изменение морфологического строения речного русла, постоянно проходящее под действием текущей воды. Проявляется русловой процесс в размывах русла, переносах и аккумуляции наносов.

Деформация речного русла определяется соотношением между расходом наносов и транспортирующей способностью потока и связана с непрерывными отложениями наносов. Деформации речных русел и пойм осуществляются в виде перемещения определенных образований; их вид, форма, движение и изменения зависят от природных условий, в которых происходит движение наносов.

Основные русловые образования сложены донными наносами, а в пойменных образованиях возрастает роль взвешенных наносов.

Деформации русла представляют собой перемещение наносов из периферических районов гидрографической сети (из зон эрозии) к аккумулятивным устьевым участкам.

Все русловые деформации подразделяются на необратимые и обратимые. Необратимые деформации прежде всего выражаются в изменении продольного профиля реки и ее внутренней структуры; деформации русел и пойм развиваются в условиях влияния ограничивающих факторов, главный из которых – геологические особенности речной долины. Необратимые деформации приводят к некоторым изменениям строения бассейна и рельефа; эти видоизменения, в свою очередь, воздействуют на характер стока воды и наносов.

Обратимые деформации выражаются в перемещении в русле реки крупных песчаных гряд; в сезонных чередованиях намыва и размыва дна на плёсах и перекатах; в подмывах и намывах берегов русла, вызывающих разрушение старых и образование новых участков пойм; в образовании новых протоков и отмирании стариц.

Морфология рек

Постепенно в ходе переотложений наносов возникают морфологические образования и русловой процесс приобретает морфологическое строение.

Основными факторами, определяющими структуру, размеры, взаиморасположение, вид деформаций, являются характеристики стока воды и наносов, а также условия, ограничивающие свободное развитие руслового процесса, т. е. геологическое строение речных долин, местные базисы эрозии и другие высотные ограничения, определяющие уклоны реки.

Различные сочетания стока воды, наносов и ограничивающих условий приводят к образованию различных схем деформаций речных русел и пойм, в ходе которых процесс переотложения наносов также осуществляется различными путями.

Растительный покров склонов речного бассейна оказывает замедляющее и аккумулирующее действие, уменьшая объем и силу потока, а также замедляет процессы выветривания и эрозии, что обеспечивает устойчивость речных русел. На скорость потока влияет также шероховатость склонов и русла.

Область питания реки расположена, как правило, на больших высотах и представляет собой своеобразную форму воронки, опущенной в ущелье или в узкий лог. Транзитная область представляет собой ущелье, куда со всей воронки поступают наносы, которые вместе с принесшей их водой устремляются вниз селевым потоком.

Сель – это грязевые или грязе-каменные потоки, внезапно возникающие в руслах горных рек вследствие интенсивного паводка, вызванного интенсивными ливнями или снеготаянием, а также деятельностью человека. Наибольшую силу сель приобретает перед выходом в долину. Крутой уклон ущелья обычно сменяется пологим уклоном долины, ширина ущелья увеличивается, и поток разливается веером по долине в виде конусообразного возвышения, которое называют конусом выноса.

Сплошная вырубка лесов, распахивание склонов также способствуют образованию селя. Лесонасаждения, гидротехнические мероприятия способствуют уменьшению объема и силы селевого паводка.

С точки зрения состава селевой массы все селевые потоки подразделяют на три категории: грязевые, грязе-каменные и водно-каменные.

Грязевые сели представляют собой густую песчано-глинистую массу, которая при прекращении движения как бы медленно застывает – наподобие лавы.

Грязе-каменные сели состоят из взвешенных потоком мельчайших частиц (песок, ил, лёсс), а также крупных наносов (галька, мелкие камни). В состав селевой массы входят и крупные камни, они передвигаются под действием больших скоростей и давлений, возникающих при прорыве временных заторов из камней. При остановке селевая масса также медленно застывает. Эти сели характерны для речек, стекающих с южного склона восточной части Главного Кавказа.

Водно-каменные сели имеют малую мутность, что обусловлено меньшим содержанием песчано-глинистых фракций и преобладанием более крупных камней неправильной формы.

Скорость селевых потоков по приближенным данным составляет 2–5 м/с. Продолжительность их – от нескольких минут до нескольких часов – в зависимости от продолжительности ливня. Однако наиболее часто продолжительность селевых потоков составляет один-два часа. Селевые потоки отмечаются преимущественно в горных районах.

Селевые потоки иногда приносят большой ущерб народному хозяйству; они нередко разрушают гидротехнические сооружения и населенные пункты, засыпают плодородные земли. Для защиты от селевых потоков крупных населенных пунктов и плодородных земель осуществляют ряд мероприятий, в том числе строятся гидротехнические сооружения. К таким сооружениям относятся плотины, запирающие выход реки из ущелья и создающие водохранилища для отложения наносов; поперечные запруды, задачей которых является уменьшение продольных уклонов и прекращение глубинного и бокового размыва; котлованы-наносоуловители для улавливания камней и наносов.

Кроме этого, в горных районах проводят агротехнические и мелиоративные мероприятия: укрепляют почвы против эрозии, не допускают неправильной распашки склонов, производят насаждение лесов на горных склонах. Леса не только укрепляют почву, но и помогают предупредить возникновение селевых паводков. В местах, где леса не могут расти, насаждают кустарники с мощной корневой системой (саксаул, шиповник), а в зоне альпийских лугов проводят травосеяние.

Ограждающие и селенаправляющие сооружения не всегда оправдывают свое назначение, поэтому действует служба наблюдения за селями и оповещения населения об их прохождении.

Для предупреждения населения городов, поселков и других объектов, расположенных в горных и предгорных районах страны, о прохождении селевых потоков применяется радиотелеметрическая автоматически действующая установка – радиооповеститель селя. Внедрение этой установки в практику позволяет заблаговременно предупреждать прохождение селя и обеспечивает быстрое принятие мер по эвакуации населения и материальных ценностей из селеопасных зон.

На интенсивность выветривания и на эрозионные процессы влияют климатические характеристики водосборной площади бассейна реки. Резкие изменения дневных и ночных температур ускоряют процесс разрушения пород. В районах с частыми обильными осадками усиливается эрозия почвы и активизируются оползневые явления.

Оползни – это скользящие смещения масс земли вниз по склону под влиянием силы тяжести. Среди прочих причин возникновения оползней необходимо отметить строительную и сельскохозяйственную деятельность человека, проводимую без учета геологических условий местности (например, разрушение склонов дорожными выемками, чрезмерный полив садов и огородов и т. п.).

Таким образом, в гидрологическом режиме рек просматривается и экологический аспект.